2022 Fiscal Year Annual Research Report
室温スピン偏極半導体ナノ材料の実現によるスピン光デバイスの開発
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21J20076
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
佐藤 紫乃 北海道大学, 大学院情報科学院, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2021-04-28 – 2024-03-31
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| Keywords | 半導体量子ドット / スピン増幅 / 希薄窒化物半導体 / スピンダイナミクス / 光スピントロニクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
電子のスピン偏極状態を反映した円偏光を発するスピン発光デバイスの実現には，室温で高い電子スピン偏極率と十分な発光強度を両立する必要がある．上記の光スピントロニクスデバイスの発展には，金属では原理的に難しい光電変換や電界操作が可能な半導体中で電子のスピン偏極を保持する必要があるが，従来のバルクや量子井戸では，実用に必須の室温においてスピン偏極が急速に失われてしまうという課題がある．そこで本研究では，電子のスピン偏極を長時間保持できるとともに，電子を高い効率で光へと変換可能なⅢ-Ⅴ族半導体量子ドット(QD)に，室温でスピンフィルターとして機能する欠陥準位をもつ希薄窒化ガリウムヒ素(GaNAs)を組み合わせ，室温で高輝度発光と高スピン偏極発光を同時に達成する半導体光デバイスの実現を目指している．
2年目である本年度は，前年度に引き続きGaNAs量子井戸(QW)とInAs QDの複合構造の模索に加え，GaNAs QWとトンネル結合したInAs QDにおける電子スピンダイナミクスの定性的な理解に努めた．トンネルバリア厚のみを変えた試料やGaNAs QWの厚さのみを変えた試料など，すでに作製した様々な構造における結果を併せて考察することにより，QD中やGaNAs層および周辺バリア層での電子スピンダイナミクスを明らかにし，GaAs QD系に対するGaNAsの影響を研究する予定である．
次年度は，InAs QD―GaNAs QW結合系について得られた知見を基に，AlGaAsやInGaNAsなどのエネルギー障壁を高くすることが出来る材料を導入することで，室温以上の高温においても高輝度・高円偏光発光を目指す.
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
令和4年度は，新しいレート方程式を用いた測定データの解析により，希薄窒化ガリウムヒ素(GaNAs)とトンネル結合したInAs量子ドットにおける電子スピンダイナミクスの理解に努めた．また，昨年度計画した通り，従来は量子ドットの下部にのみ作製していたGaNAs層を量子ドット上部に作成することにも成功し，量子ドットのスピン発光特性に異なる影響を与えることを明らかにした．初年度に確立したGaNAsの成長条件を用いて再現良くGaNAs―量子ドット結合構造を成長することができており，様々な試料構造のスピン発光特性からGaNAsがInAs量子ドットに与える影響を調べることができている．
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度は，引き続き希薄窒化ガリウムヒ素(GaNAs)とトンネル結合した量子ドットにおける電子スピンダイナミクスを研究し，室温高輝度・高円偏光発光を実現可能な複合構造を模索する．令和4年度に導入したレート方程式による解析を既に作製した他のGaNAs―量子ドット結合構造にも取り入れることで，引き続きGaNAsが量子ドットのスピン発光特性に影響を与えるダイナミクスの定性的な理解と，高輝度・高円偏光発光に適した複合構造の決定に努める．
さらに，電子スピンダイナミクスの理解と高品質な結晶の成長条件の確立に基づき，AlGaAsやInGaNAsなどの材料を利用して，室温以上の高温でも高輝度・高円偏光発光を実現できる試料およびデバイスの作製を試みる．
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